一起用Go来做一个游戏(上)

最近偶然看到一个Go语言库，口号喊出“一个超级简单（dead simple）的2D游戏引擎”，好奇点开了它的官网。

官网上已经有很多可以在线体验的小游戏了（利用WASM技术）。例如曾经风靡一时的2048：

当然只要安装了Go，我们也键入下面的命令本地运行这个游戏：

$ go run -tags=example github.com/hajimehoshi/ebiten/v2/examples/2048@latest

还有童年《俄罗斯方块》：

有14年左右让无数人疯狂的《Flappy Bird》（或许称为Flappy Gopher更贴切一点😀）：

这些瞬间让我产生了极大的兴趣。简单浏览一下文档，整体感觉下来，虽然与成熟的游戏引擎（如Cocos2dx，DirectX，Unity3d等）相比，ebiten功能还不算丰富。但是麻雀虽小，五脏俱全。ebiten的API设计比较简单，使用也很方便，即使对于新手也可以在1-2个小时内掌握，并开发出一款简单的游戏。更妙的是，Go语言让ebitengine实现了跨平台！

接下来的3篇文章，我会介绍ebitengine这个库。对于游戏引擎来说，只介绍它的API用法似乎有点纸上谈兵。恰好我想起之前看到一个《外星人入侵》的小游戏，刚好可以拿来练手。那请大家坐稳扶好，我们出发咯。

ebitengine 要求Go版本 >= 1.15。使用go module下载这个包：

$ go get -u github.com/hajimehoshi/ebiten/v2

游戏开发第一步是将游戏窗口显示出来，并且能在窗口上显示一些文字。先看代码：

package main

import (
  "log"

  "github.com/hajimehoshi/ebiten/v2"
  "github.com/hajimehoshi/ebiten/v2/ebitenutil"
)

type Game struct{}

func (g *Game) Update() error {
  return nil
}

func (g *Game) Draw(screen *ebiten.Image) {
  ebitenutil.DebugPrint(screen, "Hello, World")
}

func (g *Game) Layout(outsideWidth, outsideHeight int) (screenWidth, screenHeight int) {
  return 320, 240
}

func main() {
  ebiten.SetWindowSize(640, 480)
  ebiten.SetWindowTitle("外星人入侵")
  if err := ebiten.RunGame(&Game{}); err != nil {
    log.Fatal(err)
  }
}

使用命令go run运行该程序：

$ go run main.go

我们会看到一个窗口，标题为外星人入侵，并且左上角显示了文字Hello，World：

现在我们来分析使用ebiten开发的游戏程序的结构。

首先，ebiten引擎运行时要求传入一个游戏对象，该对象的必须实现ebiten.Game这个接口：

// Game defines necessary functions for a game.
type Game interface {
  Update() error
  Draw(screen *Image)
  Layout(outsideWidth, outsideHeight int) (screenWidth, screenHeight int)
}

ebiten.Game接口定义了ebiten游戏需要的3个方法：Update,Draw和Layout。

• Update：每个tick都会被调用。tick是引擎更新的一个时间单位，默认为1/60s。tick的倒数我们一般称为帧，即游戏的更新频率。默认ebiten游戏是60帧，即每秒更新60次。该方法主要用来更新游戏的逻辑状态，例如子弹位置更新。上面的例子中，游戏对象没有任何状态，故Update方法为空。注意到Update方法的返回值为error类型，当Update方法返回一个非空的error值时，游戏停止。在上面的例子中，我们一直返回nil，故只有关闭窗口时游戏才停止。

• Draw：每帧（frame）调用。帧是渲染使用的一个时间单位，依赖显示器的刷新率。如果显示器的刷新率为60Hz，Draw将会每秒被调用60次。Draw接受一个类型为*ebiten.Image的screen对象。ebiten引擎每帧会渲染这个screen。在上面的例子中，我们调用ebitenutil.DebugPrint函数在screen上渲染一条调试信息。由于调用Draw方法前，screen会被重置，故DebugPrint每次都需要调用。

• Layout：该方法接收游戏窗口的尺寸作为参数，返回游戏的逻辑屏幕大小。我们实际上计算坐标是对应这个逻辑屏幕的，Draw将逻辑屏幕渲染到实际窗口上。这个时候可能会出现伸缩。在上面的例子中游戏窗口大小为(640, 480)，Layout返回的逻辑大小为(320, 240)，所以显示会放大1倍。

在main函数中，

ebiten.SetWindowSize(640, 480)

设置游戏窗口的大小。

ebiten.SetWindowTitle("外星人入侵")

设置窗口标题，标题显示在窗口的左上角。

一切准备就绪，创建一个Game对象，调用ebiten.RunGame()运行。是不是很简单？

没有交互的游戏不是真的游戏！下面我们来监听键盘的输入，当前只处理3个键：左方向←，右方向→和空格。

ebiten提供函数IsKeyPressed来判断某个键是否按下，同时内置了100多个键的常量定义，见源码keys.go文件。ebiten.KeyLeft表示左方向键，ebiten.KeyRight表示右方向键，ebiten.KeySpace表示空格。

为了代码清晰，我们定义一个Input结构来处理输入：

type Input struct {
  msg string
}

func (i *Input) Update() {
  if ebiten.IsKeyPressed(ebiten.KeyLeft) {
    fmt.Println("←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←←")
    i.msg = "left pressed"
  } else if ebiten.IsKeyPressed(ebiten.KeyRight) {
    fmt.Println("→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→")
    i.msg = "right pressed"
  } else if ebiten.IsKeyPressed(ebiten.KeySpace) {
    fmt.Println("-----------------------")
    i.msg = "space pressed"
  }
}

Game结构中添加一个Input类型的字段，并且为了方便新增NewGame方法用于创建Game对象：

type Game struct {
  input *Input
}

func NewGame() *Game {
  return &Game{
    input: &Input{msg: "Hello, World!"},
  }
}

Game结构的Update方法中，我们需要调用Input的Update方法触发按键的判断：

func (g *Game) Update() error {
  g.input.Update()
  return nil
}

Game的Draw方法中将显示Input的msg字段：

func (g *Game) Draw(screen *ebiten.Image) {
  ebitenutil.DebugPrint(screen, g.input.msg)
}

将main函数中创建Game对象的方式修改如下：

game := NewGame()

if err := ebiten.RunGame(game); err != nil {
  log.Fatal(err)
}

使用go run命令运行：

$ go run main.go

窗口与前一个例子相同，然而我们可以在窗口上按←→和空格，观察控制台输出：

黑色背景看起来有些无趣，我们现在就来换一个背景。

func (g *Game) Draw(screen *ebiten.Image) {
  screen.Fill(color.RGBA{R: 200, G: 200, B: 200, A: 255})
  ebitenutil.DebugPrint(screen, g.input.msg)
}

ebiten.Image定义了一个名为Fill的方法，可以传入一个颜色对象color.RGBA，将背景填充为特定颜色。Draw函数的参数为*ebiten.Image类型，它表示的是屏幕对象，ebitengine引擎最终会将screen显示出来，故填充它的背景即可修改窗口的背景。代码中我们将背景颜色修改为灰色(R:200,G:200,B:200)。

注意：由于每帧都会调用Draw方法刷新屏幕内容，所以每次调用都需要填充背景。

运行结果如下：

第一次重构

目前为止，我们的实现了显示窗口和处理输入的功能。我们先分析一下目前的程序有哪些问题：

• 所有逻辑都堆在一个文件中，修改不便
• 逻辑中直接出现字面值，例如640/480，字符串"外星人入侵"等，每次修改都需要重新编译程序

在继续之前，我们先对代码组织结构做一次重构，这能让我们走得更远。

为了清晰，方便管理，我们逻辑拆分到4个文件中：

• game.go：编写Game对象，并实现相关方法，同时负责协调其他各个模块
• input.go：输入相关的逻辑
• config.go：专门负责配置相关的逻辑
• main.go：main函数，负责创建Game对象，运行游戏

为了程序的灵活修改，我们将程序中的可变项都作为配置存放在文件中，程序启动时自动读取这个配置文件。我选择json作为配置文件的格式：

{
  "screenWidth": 640,
  "screenHeight": 480,
  "title": "外星人入侵",
  "bgColor": {
    "r": 230,
    "g": 230,
    "b": 230,
    "a": 255
  }
}

然后定义配置的结构和加载配置的函数：

type Config struct {
    ScreenWidth  int        `json:"screenWidth"`
    ScreenHeight int        `json:"screenHeight"`
    Title        string     `json:"title"`
    BgColor      color.RGBA `json:"bgColor"`
}

func loadConfig() *Config {
    f, err := os.Open("./config.json")
    if err != nil {
        log.Fatalf("os.Open failed: %v\n", err)
    }

    var cfg Config
    err = json.NewDecoder(f).Decode(&cfg)
    if err != nil {
    log.Fatalf("json.Decode failed: %v\n", err)
}

    return &cfg
}

将游戏核心逻辑移到game.go文件中，定义游戏对象结构和创建游戏对象的方法：

type Game struct {
  input *Input
  cfg   *Config
}

func NewGame() *Game {
  cfg := loadConfig()
  ebiten.SetWindowSize(cfg.ScreenWidth, cfg.ScreenHeight)
  ebiten.SetWindowTitle(cfg.Title)

  return &Game{
    input: &Input{},
    cfg:   cfg,
  }
}

先从配置文件中加载配置，然后根据配置设置游戏窗口大小和标题。拆分之后，Draw和Layout方法实现如下：

func (g *Game) Draw(screen *ebiten.Image) {
  ebitenutil.DebugPrint(screen, "Hello, World!")
  screen.Fill(g.cfg.BgColor)
}

func (g *Game) Layout(outsideWidth, outsideHeight int) (screenWidth, screenHeight int) {
  return g.cfg.ScreenWidth / 2, g.cfg.ScreenHeight / 2
}

第一次重构到此完成，现在来看一下文件结构，是否更清晰了呢？

├── config.go
├── config.json
├── game.go
├── input.go
└── main.go

注意，因为拆分成了多个文件，所以运行程序不能再使用go run main.go命令了，需要改为go run .。

接下来我们尝试在屏幕底部中心位置显示一张飞船的图片：

ebitengine引擎提供了ebitenutil.NewImageFromFile函数，传入图片路径即可加载该图片，so easy。为了很好的管理游戏中的各个实体，我们给每个实体都定义一个结构。先定义飞船结构：

import (
    _ "golang.org/x/image/bmp"
)

type Ship struct {
  image  *ebiten.Image
  width  int
  height int
}

func NewShip() *Ship {
  img, _, err := ebitenutil.NewImageFromFile("../images/ship.bmp")
  if err != nil {
    log.Fatal(err)
  }

  width, height := img.Size()
  ship := &Ship{
    image:  img,
    width:  width,
    height: height,
  }

  return ship
}

我提供了两种图片格式，一种是png，一种是bmp，用哪种都可以。注意，需要将对应的图片解码包导入。Go标准库提供了三种格式的解码包，image/png，image/jpeg，image/gif。也就是说标准库中没有bmp格式的解码包，所幸golang.org/x仓库没有让我们失望，golang.org/x/image/bmp提供了解析bmp格式图片的功能。我们这里不需要显式的使用对应的图片库，故使用import _这种方式，让init函数产生副作用。

然后在游戏对象中添加飞船类型的字段：

func NewGame() *Game {
  // 相同的代码省略...
  return &Game {
    input:   &Input{},
    ship:  NewShip(),
    cfg:  cfg,
  }
}

为了将飞船显示在屏幕底部中央位置，我们需要计算坐标。ebitengine采用如下所示的二维坐标系：

x轴向右，y轴向下，左上角为原点。我们需要计算飞船左上角的位置。由上图很容易计算出：

x=(W1-W2)/2
y=H1-H2

为了在屏幕上显示飞船图片，我们需要调用*ebiten.Image的DrawImage方法，该方法的第二个参数可以用于指定坐标相对于原点的偏移：

func (g *Game) Draw(screen *ebiten.Image) {
  screen.Fill(g.cfg.BgColor)
  op := &ebiten.DrawImageOptions{}
  op.GeoM.Translate(float64(g.cfg.ScreenWidth-g.ship.width)/2, float64(g.cfg.ScreenHeight-g.ship.height))
  screen.DrawImage(g.ship.image, op)
}

我们给Ship类型增加一个绘制自身的方法，传入屏幕对象screen和配置，让代码更好维护：

func (ship *Ship) Draw(screen *ebiten.Image, cfg *Config) {
    op := &ebiten.DrawImageOptions{}
    op.GeoM.Translate(float64(cfg.ScreenWidth-ship.width)/2, float64(cfg.ScreenHeight-ship.height))
    screen.DrawImage(ship.image, op)
}

这样游戏对象中的Draw方法就可以简化为：

func (g *Game) Draw(screen *ebiten.Image) {
    screen.Fill(g.cfg.BgColor)
    g.ship.Draw(screen, g.cfg)
}

现在我们来实现使用左右方向键来控制飞船的移动。首先给飞船的类型增加x/y坐标字段：

type Ship struct {
    // 与前面的代码一样
    x float64 // x坐标
    y float64 // y坐标
}

我们前面已经计算出飞船位于屏幕底部中心时的坐标，在创建飞船时将该坐标赋给xy：

func NewShip(screenWidth, screenHeight int) *Ship {
  ship := &Ship{
    // ...
    x: float64(screenWidth-width) / 2,
    y: float64(screenHeight - height),
  }

  return ship
}

由于NewShip计算初始坐标需要屏幕尺寸，故增加屏幕宽、高两个参数，由NewGame方法传入：

func NewGame() *Game {
  // 与上面的代码一样

  return &Game{
    input: &Input{},
    ship:  NewShip(cfg.ScreenWidth, cfg.ScreenHeight),
    cfg:   cfg,
  }
}

然后我们在Input的Update方法中根据按下的是左方向键还是右方向键来更新飞船的坐标：

type Input struct{}

func (i *Input) Update(ship *Ship) {
  if ebiten.IsKeyPressed(ebiten.KeyLeft) {
    ship.x -= 1
  } else if ebiten.IsKeyPressed(ebiten.KeyRight) {
    ship.x += 1
  }
}

由于需要修改飞船坐标，Game.Update方法调用Input.Update时需要传入飞船对象：

func (g *Game) Update() error {
  g.input.Update(g.ship)
  return nil
}

好了，现在可以运行程序了go run .，效果如下：

注意到，目前有两个问题：

• 可以移出屏幕

因为现在每次只对x坐标修改1个像素位置，故而显得太慢。我们可以在增加一个飞船速度的配置项来控制每次变化的像素数：

{
  "screenWidth": 640,
  "screenHeight": 480,
  "title": "外星人入侵",
  "bgColor": {
    "r": 230,
    "g": 230,
    "b": 230,
    "a": 255
  },
  "shipSpeedFactor": 3
}

config.go需要相应的修改：

type Config struct {
    // 一样的代码
    ShipSpeedFactor float64    `json:"shipSpeedFactor"`
}

修改Input.Update方法，每次更新ShipSpeedFactor个像素：

func (i *Input) Update(ship *Ship, cfg *Config) {
  if ebiten.IsKeyPressed(ebiten.KeyLeft) {
    ship.x -= cfg.ShipSpeedFactor
  } else if ebiten.IsKeyPressed(ebiten.KeyRight) {
    ship.x += cfg.ShipSpeedFactor
  }
}

因为在Input.Update方法中需要访问配置，因此增加Config类型的参数，由Game.Update方法传入：

func (g *Game) Update() error {
  g.input.Update(g.ship, g.cfg)
  return nil
}

运行，是不是快了很多呢？

本文介绍了2D游戏开发库ebiten的基本使用，并开始开发一个外星人入侵的游戏（1/3），目前只能在屏幕上移动飞船，下篇文章继续完成剩下的内容。

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